автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Управление формированием структуры заэвтектических силуминов и разработка технологии получения поршней с высоким уровнем эксплуатационных характеристик

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Заэвтектические поршневые силумины.

1.1.1. Характеристика условий работы поршней и основные требования к поршневым сплавам.

1.1.2. Состав и свойства поршневых алюминиевых сплавов.И

1.1.3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства заэвтектических силуминов.

1.2. Повышение механических и эксплуатационных свойств заэвтектических силуминов.

1.2.1. О распределении кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах.

1.2.2. Влияние структуры сплава на его механические свойства . . 1.2.2.1. Модифицирование заэвтектических силуминов фосфором

1.2.3. Модифицирование силуминов стронцием. .Ы

1.2.3.1. Взаимодействие стронция с алюминием и легирующими элементами в силуминах.

1.2.3.2. Влияние стронция на структурообразование силуминов

1.2.3.3. Влияние стронция на механические свойства заэвтектических силуминов.

1.2.4. Влияние состава и структуры силуминов на их коэффициент линейного расширения.

1.3. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Характеристика используемых материалов.

2.2. Плавка и обработка заэвтектических сцлуминов . .1й

2.3. Оценка влияния модифицирующих добавок на параметры процесса кристаллизации заэвтектических силуминов.

2.4. Оценка процесса ликвации кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах.

2.5. Оценка микроструктуры заэвтектических силуминов

2.6. Оценка влияния модифицирующих добавок на микротвердость фазовых и структурных составляющих заэвтектических силуминов.

2.7. Оценка влияния модифицирующих добавок на механические свойства заэвтектических силуминов.

2.8. Оценка влияния структуры на коэффициент линейного расширения заэвтектических силуминов.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИКВАЦИИ КРИСТАЛЛОВ ПЕРВИЧНОГО КРЕМНИЯ В ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНАХ.

3.1. Оценка влияния параметров, входящих в формулу Стокса, на ликвацию кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах

3.1.1. Влияние изменения плотностей кремния и расплава в интервале температур 620-577°С на скорость всплывания кристаллов первичного кремния.

3.1.2. Влияние изменения вязкости расплава в интервале температур 620-577°С на скорость всплывания кристаллов первичного кремния.

3.1.3. Влияние изменения размера кристаллов первичного кремния в интервале температур 620~577°С на скорость их всплывания.

3.2. Влияние размера кристаллов первичного кремния на их ликвацию в заэвтектических силуминах.?

3.3. Влияние длительности кристаллизации сплава на ликвацию кристаллов первичного кремния.

3.4. Влияние водорода на ликвацию кристаллов первичного кремния в заэвтекти чески х силуминах.

3.4.1. Расчет скорости всплывания "комплекса" кристалл кремния - водород в расплаве силумина АЫб0/^.

4. ВЛИЯНИЕ СТРОНЦИЯ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ.ЮЗ

4.1. Влияние стронция на процесс кристаллизации, структуру и механические свойства сплава А1-16%8г.

4.1.1. Влияние стронция на микроструктуру и процесс кристаллизации сплава А1-16°/(^ высокой чистоты.

4.1.2. Влияние стронция на микротвердость фазовых и структурных составляющих сплава А1-16%81 высокой чистоты. . .4.

4.1.3. Влияние стронция на механические свойства сплава А1-16%81 высокой чистоты.

4.2. Распределение кристаллов первичного кремния в структуре сплава А1-16%81, обработанного стронцием.

4.3. Влияние стронция на структуру и механические свойства сплава КС

4.3.1. Влияние стронция на микроструктуру и микротвердость фазовых составляющих сплава КС

4.3.2. Влияние стронция на механические свойства сплава КС

4.4. Технология совмещенного модифицирования стронцийсодержащей лигатурой и рафинирования продувкой инертным газом поршневых заэвтектических силуминов.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ

НА КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ.'

5.1. Влияние размера кристаллов первичного кремния на коэффициент линейцого расширения сшщвд А}-|6%$1. .¿

М .-12.

12.2 /

5.2. Влияние объемной доли кристаллов первичного кремния на коэффициент линейного расширения сплава А1-16%81.

5.3. Зависимость коэффициента линейного расширения сплава А1-16%81 от площади поверхности контакта кристаллов первичного кремния с матрицей сплава.

6. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРШНЕЙ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

6.1. Результаты опытно-промышленного опробования технологии получения поршней с высоким уровнем эксплуатационных характеристик методом жидкой штамповки.

6.2. Опытно-промышленное опробование технологии получения поршней из заэвтектического силумина с высоким уровнем пластичности методом литья в кокиль.

ВЫВОДЫ.

Для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания широко используются заэвтектические силумины, поскольку эти сплавы обладают высоким уровнем требуемых эксплуатационных свойств, в числе которых износостойкость, жаропрочность, теплопроводность и относительно низкий коэффициент линейного расширения (КЛ Р).

Однако, применение заэвтектических силуминов ограничивается нестабильностью их структуры, в частности, неравномерным распределением в отливках кристаллов первичного кремния. Ликвация кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах приводит к снижению износостойкости поршней, ухудшению обрабатываемости отливок резанием и анизотропии свойств сплава по сечению отливок. Изучению распределения кристаллов первичного кремния в структуре заэвтектических силуминов посвящено достаточно много исследований, однако причины их ликвации в полной мере не установлены.

Существенным недостатком заэвтектических поршневых силуминов является их низкая пластичность, что может вызвать хрупкое разрушение поршня при эксплуатации и выход двигателя из строя. Поэтому повышение пластичности заэвтектических силуминов весьма актуально. Низкая пластичность этих сплавов связана с наличием в их структуре хрупких грубых кристаллов первичного кремния и игольчатых частиц эвтектического кремния, являющихся концентраторами напряжений. Получение структуры заэвтектического силумина с минимальным количеством кристаллов первичного кремния и модифицированной эвтектикой должно привести к повышению его пластичности. Уменьшения количества концентраторов напряжений в силумине можно достичь, не изменяя содержания кремния в сплаве, за счет воздействия на процесс его кристаллизации. Однако,имеющиеся литературные данные, 8

выводы

1. Исследовано распределение кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах. Установлено, что основными факторами, влияющими на ликвацию кристаллов первичного кремния, являются их размер и количество ассоциированного с ними водорода, а также длительность процесса кристаллизации.

2. Предложено управлять струкгурообразованием заэвтектических силуминов с помощью стронция, позволяющего уменьшать размер кристаллов первичного кремния и их объемную долю в структуре сплава при одновременном модифицировании эвтектики.

3. Показано, что заэвтектический силумин, имеющий в структуре малую объемную долю кристаллов первичного кремния и модифицированную эвтектику, обладает достаточно высоким уровнем пластичности. При введении 0,08-0,10% стронция в заэвтектический силумин с содержанием кремния 16% относительное удлинение сплава возрастает с 1,8 до 4%. Термообработка по режиму Т6 позволяет повысить уровень пластичности до 8%.

4. Обнаружено, что применение стронция для модифицирования заэвтектических силуминов нецелесообразно без проведения дегазации расплава по причине появления газовой пористости в отливках.

5. Установлено влияние структуры заэвтектических силуминов на их коэффициент линейного расширения. Выявлена корреляционная зависимость между коэффициентом линейного расширения и площадью поверхности контакта кристаллов первичного кремния с матрицей сплава.

156

1. Зильберг Ю.Я., Хрущева Н.М., Гершман Г.Б. Алюминиевые сплавы в тракторостроении. -М.: Машиностроение, 1971.

2. Гаврилов А.И., Аникин A.A., Власкина К.И. // Металловедение и термическая обработка металлов. -1989. -№1. -с.57-58.

3. Гаврилов А.И. Разработка комплексной технологии обработки сплава АК21М2,5Н2,5 с целью получения дизельных поршней с повышенным ресурсом работы.: Автореферат дис. канд. техн. наук. ~М.: 1992.

4. Гершман Г.Б. Влияние легирования поршневых силуминов на их физико-механические и эксплуатационные характеристики. // Пути экономии металла при конструировании и производстве отливок. -Из-во Саратовского ун-та. -1986. -с.39-41.

5. Прудников А.К., Афанасьев В.К. Перспективы развития поршневых сплавов и производства поршней в условиях Кузбасса. // Вестн. акад. ест. наук Зап.-сиб. отд. -1997. -№1. -с.41-44.

6. Растягаев О. //Авторевю. -1998. -№12 (175). -с.ЗЗ.

7. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1973.

8. Голованов Л. // Авторевю. -1998. -№9 (172). -с.26-27.

9. Кротеев C.B. Особенности задания граничных условий при оптимизации зазоров в сопряжении поршень-цилиндр.// Автомобильные и тракторные двигатели. -1992. -№9. -с.67-69.

10. Калашник Л.Д. О перспективах применения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов для производства поршней. // Вопросы прочности и пластичности металлов. -Минск: Наука и техника. -1971. -с. 195-196.15?

11. Алюминий: свойства и физическое металловедение: Справ, изд. Пер. с англ./ Под ред. Хэтча Дж.Е. -М.: Металлургия, 1989.

12. Алюминий. Металловедение, обработка и применение алюминиевых сплавов. Пер. с англ./ Под ред. Туманова А.Т., Квасова Ф.И., Фри--дляндера И.Н. -М.: Металлургия, 1972.

13. Применение алюминиевых сплавов. / Под ред. Туманова А.Т. -М.: Металлургия, 1973.

14. Ивлев В.А. Технологические особенности производства деталей из алюминиевых сплавов для новых автомобилей ВАЗ. // Металловедение и термическая обработка металлов. -1996. -№10. -с.32.

15. Иванов А. //Автопанорама. -1998. -№10. -с.28-33.

16. Zollner Pistons. Info@ zpistons.com. 1998.

17. Пат. 4845051/02 (Россия), 1994.

18. Пат. 8127308 (Англия), 1981.19. Пат. 5162065 (США), 1992.20. Пат. 0486552 (ЕПВ), 1992.

19. Пат. 8824294 (Англия), 1988.

20. Пат. 5016025 (Россия), 1994.

21. Пат. 5032354/02 (Россия), 1994.

22. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. -М.: Металлургия, 1977.

23. Афанасьев В.К., Ухов B.JI., Сармин М.К. Микролегирование с целью повышения жаропрочности алюминиевых сплавов. // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах. Тез. докл. 5 респ. н.-т. конф. 6-8 сент. -Запорожье.-1988.-с. 297.

24. Гаврилов А.И., Аникин A.A., Власкина К.И. Влияние иттрия на свойства высококремнистых алюминиевых сплавов. // Литейное производство. -1987. -№2. -с.33-34.158

25. Гусева В.В., Белов В.Д., Гаврилов А.И. Влияние РЗМ на структуру и механические свойства поршневых заэвтектических силуминов. // Тез. докл. XI н.-т. конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах". -Запорожье, -1991. -с.32.

26. Влияние церия на структуру и свойства заэвтектических силуминов. / Белов В.Д., Куликова Т.В., Гаврилов А.И., Пашатский В.П. // Литейное производство. -1994. -№4. -с.11-12.

27. Альтман М.Б., Стромская Н.П. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1984.

28. Гусева В.В. Влияние примесей на процесс кристаллизации и структуру заэвтектических поршневых силуминов и разработка технологии плавки поршневых сплавов.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 1993.

29. Куликова Т.В. Влияние церия и феррофосфора на структуру и свойства заэвтектических силуминов и разработка технологии комплексной обработки поршневых сплавов.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 1996.

30. Афанасьев В.К., Прудников А.Н. Разработка состава поршневого заэвтектического силумина.// Изв. вузов. Черная металлургия. -1998. -с.35-37.

31. Карасева Т.А. Разработка и промышленное опробование технологии упрочнения литейных алюминиевых сплавов частицами тугоплавких окислов, вводимых в расплав.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 1983.159

32. Brezonick М. Development of new generation reinforced aluminum piston designs. // Info@ Diesel progress.com. -1998. -6c.

33. Valer Goni J., Rodriguez-Ibabe J. M., Urcola J.J. Strength and toughness of semi-sold processed hypereutectic Al/Si alloys. // Scripta Materialia. -1996. -V.34. -№3. -p.483-489.

34. Кудь П.Д. Использование стружки поршневых алюминиевых сплавов AJI25 и АК18 и повышение их свойств.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 1987.

35. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. -М.: МИСиС, 1998.

36. Хамани М.С., Пикунов М.В.// Литейное производство. -1990. -№11. -с.32.

37. Ликвация кремния в поршнях из заэвтектического силумина. / Курдюмов А.В., Белов В.Д., Инкин С.В., Гусева В.В., Антоненко В.Н. // Литейное производство. -1990. -№9. -с.31.

38. Гаврилин И.В. Ликвация кремния в жидких силуминах. // Литейное производство. -1983. -№2.

39. Tenekedjiev N., Gruzleski J.E. // Cast Metals. -1990. -V.3. -№2. -p.96-105.

40. Weiss J.C., Looper C.R. // Giesserei Praxis. -1988. -№3-4. -s.l 12-123.

41. Курдюмов A.B., Пикунов М.В. Чурсин В.М., Бибиков Е.Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов. -М.: Металлургия, 1986.

42. Альтман М.Б. Металлургия литейных алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1972.160

43. Фомин Б.А. Модифицирование силуминов и температурная обработка сплавов в жидком состоянии.: Автореферат дис. канд. техн. наук. -М.: 1961.

44. Модифицирование силуминов стронцием. / Под ред. К.В. Горева. -Минск: Наука и техника, 1985.

45. Альтман М.Б., Строганов Г.Б., Постников Н.С. К вопросу о повышении свойств силуминов. // Сплавы цветных металлов. -М.: Наука. -1972.-с.74-85.

46. Смирнова Т.П. Модифицирование заэвтектических силуминов. // Модифицирование силуминов. -Киев: Наукова думка.-1970. -с.25-29.

47. Пархутик П.А., Калашник Л.Д., Соловьев С.П. О механизме кристаллизации модифицированых силуминов. // Металловедение и термическая обработка металлов. -1974. -№1.

48. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1979.

49. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1964.

50. Пархутик П.А.,Калашник Л.Д., Лубенский М.З. О модифицировании заэвтектических силуминов. // Структура и свойства металлов и сплавов. -Минск : Наука и техника.-1974. -с.24-36.

51. Федотов В.М., Баева И.Ю., Лебедев В.Н. К теории модифицирования алюминиевых сплавов. // Технологии, ресурсосберегающие процессы, оборудование, материалы. -1995. -№1-2. -с.54-58.

52. Гетерогенное зарождение при затвердевании кремния в сплавах Al-Si и Al-Si-P. // Asta met et mater. -1995. -№8(43). -c.3231-3246.

53. Модифицирование силуминов: Сб. Киев: Из-во АН УССР, 1970.

54. Боом Е.А. Природа модифицирования сплавов типа силумин. -М.: Металлургия, 1972.

55. Мазур В.И. К феноменологической теории модифицирования силуминов. // Тез. докл. II Всесоюзной научной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа". -Днепропетровск. -1982. -с.20-23.

56. Селезнев Л.П., Боровицкая Г.П., Кузнецова Е.В. Влияние стронция на структуру и свойства жаропрочных поршневых сплавов. // Научные труды ин-та Гипроцветметобработка. -М.: Металлургия.-1978. -№58. -с.63-69.

57. Томсинская М.А. Модифицирование заэвтектических силуминов при литье с кристаллизацией под давлением. // Тез. докл. семинара "Современные технологические процессы и оборудование для литья в металлические формы'.'-М.: ЦНИИинформации-1989. -ч.1. -с.27-28.

58. Модифицирование литейных алюминиевокремниевых сплавов с помощью Na, Sr и Sb/ Garat Metal. // Ljevarstvo. -1995. -№3. c.67-68.

59. Киселев В.Б., Костина Т.К., Тясунов Г.В. Влияние температуры нагрева расплава на кристаллизацию и структуру заэвтектических силуминов // Расплавы. -1995. -№3. -с.3-9.

60. Микроструктура силумина, модифицированного стронцием. / Molovan Р., Chira T., Pana Mihaela // Metalurgia. -1993. -45.№11. -с.5-7.

61. Lu Shu-Zu, Hellvell А. // JOM: J. Miner, Metals and Mater Soc. -1995. -47. №2. -c.38-40.

62. Структура силуминов, модифицированных натрием и стронцием. / Liu Bingyi // Чжуцзо Foundry. -1991. -№2. -с. 18-21.

63. Залинова И.М., Барышева Н.П. Влияние многократных переливов и переплавов на свойства сплавов, модифицированных стронцием. // Литейное производство. -1977. -№7. -с.36.

64. Гудченко А.П., Заливанова И.М. Модифицирование алюминиевокремниевых сплавов стронцием. // Литейное производство. -1972. -№12. -с.30-31.162

65. Неоднородность p-твердого раствора в силуминах. / Таран Ю.Н., Куцова В.З., Узлов К.И., Кавальчук М.Г. // Металловедение и термическая обработка металлов. -1988. -№9. -с.33-37.

66. Identyfikacja i okreslenie struktury fazy miedzymetalicznej Sr-Al-Si uczestniczacej w modyfikacji stopow Al-Si. / Zbignew Bonderek // Krakow: Zeszutu naukowe. 1988.

67. Fommei F. Modification treatments of Al-Si alloys. // Aluminio. -1977. -vol.46. -№3. p.52-56.

68. Селезнев JI.П., Боровицкая Г.П., Кузнецова Е.Е. Научные груды ГНИиПИ сплавов и цветных металлов. -М.: Металлургия. -1978. -№58. -с.63-69.

69. Latkowski A., Gryziecki J., Jarominek J. Wplyw obrobki cieplnej na wlasnsci mechaniczne stopu Al-Si-Mg-Cu-Ni, modifikovanego strontem. // Rudy in métal niczelazne. -1976. -У.21. -№3. -p.52-56.

70. Вахобов A.B., Джураев Т.Д., Бардин В.А. Диаграммы состояния сплавов Sr-Pb и Sr-Al. // Изв. АН СССР. Металлы. -1975. -№1. -с. 194.

71. Шанк Ф. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургия, 1973.

72. Пархутик П.А., Лубенский М.З. Формирование структуры Al-Si сплавов при разных условиях кристаллизации. // Литейное производство. -1971. -№5. -с.23-24.

73. Физические величины: Справочник / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

74. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. -М.: Металлургия, 1974.

75. Ушакова В.В., Попова М.В., Лузянина З.А. Применение легкоплавких элементов в сплавах Al-20.50%Si с низким КЛР. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1995. -№8. -с.55-57.

76. Ушакова В.В., Попова М.В., Лузянина З.А. Влияние добавок Bi и Sß на линейное расширение высококремнистых силуминов. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1994. -№6. -с.81-82.

77. Ушакова В.В., Попова М.В., Рудаева П.Б. О влиянии обработки шихты и расплава на линейное расширение сплавов Al-(1 l-40)%Si. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. -№4. -с.23-25.

78. Мусалимов Р.Ш., Валиев Р.З. Дилатометрические исследования алюминиевого сплава с субмикрозернистой структурой. // Физика металлов и металловедение. -1992. -№9. -с.95-100.

79. Афанасьева М.В., Перетятько В.Н. Некоторые особенности линейного расширения деформируемых сплавов Al-Si.// Металлы. -1989. -№1.

80. Лабораторные работы по технологии литейного производства. / Под общей редакцией A.B. Курдюмова. -М.: Машиностроение, 1990.

81. Металлография. Раздел: Микроструктура металлических сплавов. Лабораторный практикум. / Под ред. Копецкого Ч.В. М.: МИСиС, 1986.

82. Хамани М.С. Исследование ликвации кристаллов первичного кремния в заэвтектических силуминах: Дипл.раб: спец. 1106. -М. -1990.

83. Пикунов М.В., Инкин С.В., Тен Э.Б. Теоретические основы литейных процессов. Учебное пособие для практических занятий. -М.: МИСиС, 1986.

84. Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. -М.: МИСиС, 1997.

85. Чернов A.A., Капков Н.С. О механизме роста кристаллов при химических реакциях (система Si-H-Ci). // Кристаллография. -1977. -т.22. -вып.1. -с.35-43.

86. Шаповалов В.И., Тимченко А.Г. Особенности формирования газокристаллических структур в алюминии и его сплавах в присутсвии164водорода. // Физика металлов и металловедение. -1993. -76. -№3. -с. 141144.

87. Курдюмов A.B., Белов В.Д., Гусева В.В. Особенности кристаллизации заэвтектических силуминов, обработанных хлорсо держащими соединениями. // Известия вузов. Черная металлургия. -1993. -№9-10. -с.48-50.

88. Семенова О.Н., Ганиев И.И., Вахобов A.B. Влияние добавок хлора и фосфора на сохранение эффекта модифицирования стронцийсодержащих силуминов. //Литейное производство. -1984. -№6. -с. 13-14.1.irri/LU/i\uini: i165

89. УТВЕРЖДАЮ)) ¿¿ректор ФГУНПГ1 «Гидромаш» .М. Георгиевский 1999 г.1. АКТпроведения опытно-промышленно.о опробования

90. Разработана технология получения поршней из сплава КС 740 методом жидкой штамповки.

91. УТВЕРЖДАЮ" тор ООО "ПРОМА из легких сплавов" Jk. И. Сисюкин1. ТЕХНИЧЕСКИМ АКТ

92. Настоящий Акт составлен в том, что в условиях ООО "ПРОМА колеса из легких сплавов" проведено промышленное опробование технологии совмещенного модифицирования стронцийсодержащей лигатурой и рафинирования продувкой инертным газом сплава КС740.